Lo sminuzzato oggetto di studio in questo lavoro proviene da diverse zone del territorio italiano e da diversi tipi di cantiere.
1. Sminuzzato proveniente da SRF.
I cloni di pioppo oggetto di studio provengono da diverse aree. Nella prima parte vengono analizzati dei cloni provenienti da prove sperimentali sulla SRF, cloni utilizzati nella costituzione di piantagioni dedicate alla produzione di biomassa già iscritti o in via di iscrizione al Registro Nazionale dei Cloni Forestali, prove collocate nel centro-sud Italia, allestite impiegando talee dei cloni AF2, AF6, Monviso, Limatola e Muur. Ulteriore prelievo di campioni di sminuzzato è stato effettuato in 10 cantieri di SRC composti in questo caso solo da 4 cloni differenti (AF2, AF6, Monviso e Muur) ma con due diversi intervalli di raccolta, 2 anni e 3 anni, in questo caso sono stati raccolti 20 campioni di cippato di un kg ciascuno in modo casuale per ogni sito per un totale di 200 campioni per 10 siti di raccolta (tabella 12).
Tabella 6 Schema sperimentale dei cantieri agroforestali
Turno Clone N° campioni
2 anni AF2 20 3 anni AF2 20 2 anni AF3 20 3 anni AF3 20 2 anni Monviso 20 3 anni Monviso 20 2 anni Monviso 20 3 anni Monviso 20 2 anni Muur 20 3 anni Muur 20
Le piante oggetto di studio sono state abbattute e sminuzzate direttamente sul letto di caduta dove subito sono stati prelevati i vari campioni di sminuzzato da analizzare per ognuna delle categorie tassonomiche esaminate. Di seguito questi macrocampioni, sono stati portati presso il laboratorio di Utilizzazioni Forestali del Dipartimento di scienze e tecnologie per l’Agricoltura, le Foreste, la Natura e l’Energia (DAFNE) dell’Università
degli Studi della Tuscia dove è stato possibile proseguire con le analisi. I campioni sono stati analizzati per (a) composizione macroscopica, (b) distribuzione granulometrica, (c) umidità (u%), (d) contenuto idrico (w%), (e) densità bulk (db), (f) potere calorifico superiore (PCS), (g) contenuto di carbonio (C), azoto (N), idrogeno (H) e (h) il tenore di ceneri. Ciascuno dei macro campioni è stato suddiviso in 8 sub-campioni con pesi differenti. Per l'analisi (a) ogni sub-campione era pari a 0,5 kg, mentre per l'analisi (b) ogni sub-campione era di 1 kg, per l'analisi (c-e) ogni sub-campione era di 0,5 kg e per l'analisi (f-h) ogni sub-campione era di 0,2 kg. Tutti i sotto-campioni sono stati estratti casualmente dallo stock più grande dei campioni originali
2. Sminuzzato ottenuto da piante intere di Pinus nigra Arnold., Pinus halepensis Miller e Pinus pinaster Miller utilizzate in operazioni di primo diradamento. Proviene da aree dell’Italia Centrale, sono state individuate due aree di studio, una pineta monospecifica sita in Umbria e un imboschimento di pini mediterranei nel Lazio. La pineta monospecifica di P. nigra impiantata sul Monte Peglia, Situata nel comune di Orvieto, loc. “le Scalette”, si estende su una superficie di 13,91 ha. Si tratta di un imboschimento a densità normale e grado di copertura elevato, età approssimativa 33 anni, di seguito in tabella 13 vengono riportate le caratteristiche del popolamento, prima dell’ intervento e post intervento.
Tabella 13: tabella riassuntiva sulle caratteristiche del popolamento pre-intervento.
Pre-diradamento Postdiradamento Piante utilizzate
Specie piante/ha DBH( cm) piante/ha DBH( cm) piante/ha %
Pino nero 1326 20,3 472 20,5 854 64
La seconda area individuata nella regione Lazio è rappresentata da un imboschimento misto di pino d’Aleppo e marittimo di circa 2,4 ha (P. halepensis e P. pinaster). Si tratta di una pineta di pini mediterranei a densità normale e grado di copertura elevato, di seguito in tabella 14 vengono riportate le caratteristiche del popolamento, prima dell’ intervento e post intervento.
Tabella 14: tabella riassuntiva sulle caratteristiche del popolamento post-intervento
Per rappresentare meglio la produzione di sminuzzato presente in Italia ottenuto da piante intere o dai residui delle utilizzazioni forestali sono stati individuati ulteriori 10 cantieri forestali (tabella 15) costituiti da conifere (Pinus spp. and Picea abies L.) e latifoglie (Quercus spp. And Fagus sylvatica L.). Questi cantieri si differenziano in tre aspetti principali che influenzano la qualità del cippato, prima di tutto il tipo di albero e di conseguenza il suo legno, nel caso delle latifoglie un legno duro mentre per le conifere legno tenero, caratteristica che influisce in particolar modo il potere calorifico del cippato. Gli interventi sono stati effettuati nel periodo invernale così che lo sminuzzato proveniente dai cantieri di boschi cedui è privo di foglie contrariamente a quello proveniente dai boschi di conifere, ultima differenza sta nel contenuto in corteccia dovuto al fatto che gli elementi sminuzzati nei cantieri di boschi di latifoglia si trattava di piccole parti come i rami, mentre nel caso delle conifere è stato sminuzzato l’albero intero quindi con un rapporto tra corteccia e legno diverso.
Tabella 15: Schema sperimentale dei cantieri forestali
Tipo Specie principale N° campioni
Coni
fe
re Picea abies Picea abies 20 20
Pinus nigra Arn. 20
Pinus pinaster Ait. 20
Pinus halepensis Mill. 20
L at if ogli e Quercus cerris L. 20
Quercus pubescens Willd. 20
Quercus cerris L. 20
Fagus sylvatica L. 20
Fagus sylvatica L. 20
Pre-diradamento Post-diradamento Piante utilizzate
Specie piante/ha DBH( cm) piante/ha DBH( cm) piante/ha %
3. Sminuzzato proveniente dalla potatura delle arance
È stato inoltre effettuato uno studio per fornire informazioni su quanto le biomasse residuali provenienti dagli scarti di potature degli agrumeti in Sicilia, con particolare riferimento agli scarti provenienti dalle potature delle arance, possano contribuire alla disponibilità di biomassa per l’energia, prendendone anche in considerazione le caratteristiche energetiche.
Tramite un analisi della cartografia sono stati individuati e distinti 3 possibili ipotetici distretti energetici, riferiti alla coltivazione delle arance. Per ognuno dei tre distretti sono stati effettuati 5 rilievi nei cantieri di potatura, al fine di ottenere un valore medio del quantitativo di biomassa disponibile. Inoltre in ciascun cantiere analizzato sono stati prelevati tre campioni di biomassa (rami comprensivi di foglie e rametti) per la caratterizzazione fisico energetica.
La biomassa proveniente dalle potature degli aranceti, è stata caratterizzata energeticamente rilevando parametri, quali il Potere calorifico superiore (Pcs) e inferiore (Pci), le caratteristiche chimiche (contenuto di Carbonio, Idrogeno e Azoto) e le caratteristiche fisiche (contenuto di umidità, ceneri, sostanze volatili e carbonio fisso), è stata rilevata inoltre la massa volumica e la densità bulk dello sminuzzato
3.1 – ANALISI DI LABORATORIO
Tutti i campioni, sono stati portati presso il laboratorio di Utilizzazioni Forestali del Dipartimento di scienze e tecnologie per l’Agricoltura, le Foreste, la Natura e l’Energia (DAFNE) dell’Università degli Studi della Tuscia dove è stato possibile proseguire con le analisi. I campioni sono stati analizzati per (a) composizione macroscopica, (b) distribuzione granulometrica, (c) umidità (u%), (d) contenuto idrico (w%), (e) densità bulk (db), (f) potere calorifico superiore (PCS), (g) contenuto di carbonio (C), azoto (N), idrogeno (H) e (h) il tenore di ceneri. Ciascuno dei macro campioni è stato suddiviso in 8 sub-campioni con pesi differenti. Per l'analisi (a) ogni sub-campione era pari a 0,5 kg, mentre per l'analisi (b) ogni sub-campione era di 1 kg, per l'analisi (c-e) ogni sub- campione era di 0,5 kg e per l'analisi (f-h) ogni sub-campione era di 0,2 kg. Tutti i sotto- campioni sono stati estratti casualmente dallo stock più grande dei campioni originali.
3.2 - COMPOSIZIONE MACROSCOPICA DELLO SMINUZZATO
La composizione macroscopica dello sminuzzato è stata determinata separando manualmente il contenuto delle componenti principali: fibra, corteccia, ramoscelli. Questa operazione è stata condotta su 30 sub - campioni di 0,5 kg ciascuno per ogni tipologia di sminuzzato. Ogni gruppo di componenti è stato pesato con una bilancia di precisione Orma (modello BC16D). Sono state calcolate le percentuali in peso di fibra (legno), corteccia e rami. Inoltre con un calibro della precisione di 1/10 mm sono stati misurati i diametri mediani dei singoli rametti ed in seguito calcolato il loro diametro medio.
Nel dettaglio le analisi condotte hanno seguito questa procedura: si è iniziato prelevando una manciata casuale di sminuzzato contenuto in un apposito recipiente. Questo materiale è stato successivamente posto in un altro recipiente precedentemente opportunamente tarato mediante una bilancia tecnica (precisione al decimo di grammo) ed è stata in questo modo rilevata la pesatura lorda totale. Di seguito per ognuno dei campioni considerati è stata effettuata la separazione manuale dello sminuzzato in 3 categorie (rami, corteccia e legno) ed è stata rilevata la pesatura per ognuna delle 3 classi indicate. Quindi, di fatto, per ogni campione analizzato sono stati ottenuti oltre al peso lordo totale anche il peso lordo del legno, il peso lordo della corteccia ed il peso lordo dei rami. Detraendo alle pesature lorde misurate la tara del recipiente, sono state ottenuti il peso netto totale, il peso netto della corteccia, il peso netto del legno ed il peso netto dei rametti. Sono state in seguito calcolate le percentuali in peso di fibra (legno), corteccia e rami. La corteccia è stata separata dalle fibre con l’ausilio di un piccolo taglierino.
3.3 - DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA DELLO SMINUZZATO
La distribuzione granulometrica è stata ottenuta su 30 sub - campioni di 1 kg ciascuno per ogni tipologia di sminuzzato. Per quest’analisi si è seguita la norma europea, CEN/TS 15149-1:2011 ''Biocombustibili solidi - Metodi per la determinazione della distribuzione granulometrica - Parte 1: Metodo del vaglio oscillante con aperture maggiori o uguali ad 1 mm'', utilizzando un dispositivo certificato di screening automatico FTL0200. Cinque setacci sono stati utilizzati per separare le seguenti sei classi granulometriche di cippato: > 100 mm, 100-63 mm, 63-45 mm, 45-16 mm, 16-3 mm, <3 mm. Ogni frazione è stata poi pesata con la bilancia di precisione Orma (modello BC16D).
3.4 - UMIDITÀ E CONTENUTO IDRICO
Per il calcolo dell’umidità del legno e del contenuto idrico è stato impiegato il metodo gravimetrico o per doppia pesata (CEN/TS 14774-1: Solid Biofuels - Methods for determination of moisture content - Oven dry method. Part 1: Total moisture - Reference method, 2004; CEN/TS 14774-2: Solid Biofuels - Methods for determination of moisture content- Oven dry method. Part 2: Total moisture - Simplified method, 2004; CEN/TS 14774-3: Solid Biofuels -Methods for determination of moisture content - Oven dry method. Part 3: Moisture in general analysis sample, 2004), così come ha una certa rilevanza ricordare che l’umidità contenuta nei tessuti vegetali, al momento dell’impiego, penalizza l’attitudine alla combustione della stesso cippato per cui condizione ottimale sarebbe che né umidità né contenuto idrico assumessero valori piuttosto elevati. Umidità (u%) e contenuto idrico (w%) sono stati rilevati e calcolati per 30 sub - campioni di 0,5 kg per ogni tipologia di sminuzzato.
Operativamente si è effettuata una prima pesata del campione mediante una bilancia tecnica (precisione 1/100 g) e, sempre grazie alla bilancia, si è rilevata la tara della vaschetta. Dalla detrazione dei 2 valori ottenuti è stata identificato Pu. Si è messo poi il campione in una stufa ventilata e termostatata a 103 °C + 20 C per 24 h (la ventilazione è necessaria per asportare il vapore liberato dal provino; la temperatura invece consente di trasformare tutta l’acqua in vapore, a pressione normale, senza dar luogo a distillazione degli estrattivi del legno, salvo rarissimi casi, oppure al degradamento termico di costituenti della parete cellulare, che devono rimanere intatti affinchè le pesate non risultino falsate), al termine delle quali si è effettuata una seconda pesata. In seguito il campione è stato nuovamente posto in stufa per 12 h al termine delle quali è stata effettuata un’altra pesata. Si è poi confrontato l’ultimo dato con la registrazione precedente: se la variazione di peso intervenuta nelle 12 ore era trascurabile (minore del 2%), si considerava raggiunto lo stato di peso costante e di conseguenza si assumeva che tutto il vapore, l’acqua libera e quella di saturazione fossero stati eliminati dal provino, che risultava quindi perfettamente anidro. Se invece il confronto tra le ultime 2 registrazioni effettuate rivelava una perdita di peso non trascurabile (maggiore del 2%), si rimetteva il provino in stufa per ulteriori 12 ore e si ripeteva la procedura fino al raggiungimento di un valore di peso costante tra le due ultime letture. E’ stato così determinato P0. In questo modo è stato possibile calcolare l’umidità ed il contenuto idrico del provino.
3.5 - DENSITÀ BULK (DENSITÀ APPARENTE)
Parametro dato dal rapporto tra la massa ed il volume di un campione di sminuzzato non soggetto a compressione o assestamento di alcun genere. La densità bulk (bulk density in inglese) si esprime in kg/m3 ed è bene chiarire che il volume è sterico, composto quindi da spazi vuoti e pieni. Inoltre sia massa che volume sono sempre riferiti allo stesso contenuto di umidità. Rilevare tale parametro ha importanza per qualsiasi forma di quantificazione esistente (CEN/TS 14779 : Solid Biofuels – Sampling – Methods for preparing sampling plans and sampling certificates, 2004).
Per ottenere la densità bulk (db), rilevata su 30 sub - campioni di 0,5 kg l’uno, è stato posto manualmente del cippato all’interno di un recipiente graduato (precisione 10 ml) sino al raggiungimento di 400 ml (limite stimato ocularmente) senza sottoporre il campione esaminato a compressione o assestamento di alcun genere ed è stata poi effettuata la pesatura dello sminuzzato presente nel recipiente stesso con una bilancia tecnica della precisione di 1/10 di grammo.
3.6 - IL POTERE CALORIFICO
Il potere calorifico superiore è di solito determinato su campioni omogeneizzati, facendo uso della bomba calorimetrica di Berthelot - Mahler (Calorimetro Parr 6200) (Canagaratna & Witt 1988, ISCO 1991). La bomba calorimetrica di Mahler è un apparecchio utile alla determinazione del potere calorifico superiore di un combustibile solido o liquido, per i combustibili in forma gassosa si ricorre all'uso del calorimetro di Junkers. Il calore prodotto dalla reazione di combustione del combustibile in esame viene assorbito da una massa di acqua o di altro liquido di cui si osserva l'aumento della temperatura.
Essa consiste in un recipiente cilindrico di circa 500 cm3, chiuso con un coperchio a vite, dal quale rientrano due fori verso l'interno. In uno di questi fori è introdotta un'asticella di ferro che regge un crogiolo di platino ed una piccola spirale di ferro. Nel crogiolo viene inserito il combustibile di cui vogliamo conoscere il potere calorifico (di solito 40 cm3) e viene introdotto ossigeno sotto pressione. La bomba viene immersa in un calorimetro colmo d'acqua, munito di agitatore e termometro. Si mette in moto l'agitatore e, quando il termometro legge una temperatura costante, nasce una differenza di potenziale tra le
asticelle di ferro la quale fa ossidare la spirale di ferro; da qui si crea la combustione del nostro materiale in esame. Il termometro legge la temperatura, che si alza bruscamente fino ad un certo valore, per poi diminuire lentamente. In tal modo è possibile calcolare il potere calorifico superiore con la seguente formula:
dove T2 e T1 sono rispettivamente le temperature di massima e di minima, P è la quantità di acqua immessa nel calorimetro, A è l'equivalente in acqua del calorimetro e p è la quantità di combustibile utilizzato. Nel presente studio, seguendo la norma europea UNI EN 14918:2010 "Biocombustibili solidi - Metodo per la determinazione del potere calorifico", per la misurazione del potere calorifico superiore, ogni sub-campione di 200 g è stato macinato con un mulino Ika Werke MF10B a lama rotante e con un setaccio di 0,7 mm, quindi è stato selezionato 1 g di polvere di legno e compresso con una pressa manuale Parr fino ad ottenere un singolo pellet. Il pellet è stato poi bruciato in una bomba calorimetrica adiabatica Parr 6200.
3.7 - ANALISI ULTIMA
L’analisi ultima consente di determinare le percentuali di carbonio (C), azoto (N) ed idrogeno (H) caratterizzanti il materiale di partenza. Un elevato contenuto in carbonio indica la presenza nei tessuti vegetali di composti organici di rinforzo (lignina), caratterizzati da struttura chimica complessa, lenta degradabilità biologica ed elevata attitudine alla combustione. La lignificazione dei tessuti vegetali di alcune piante erbacee, che inizia nell’ultima fase del ciclo vegetativo, si manifesta attraverso l’essiccazione e l’ingiallimento delle parte epigea della pianta. Secondo Kataki & Konwer (2002), un elevato contenuto in carbonio all’interno delle biomasse suggerisce che esse potrebbero essere utilizzate per la produzione di carbone da legna. Il contenuto percentuale in carbonio e in azoto può essere utile anche per la stima indiretta del poter calorifico. Vari Autori riportano modelli riconducibili alla composizione chimica del materiale esaminato (Giordano 1980, Baccanti & Colombo 1988, Demirbas 1997) anche se una serie di elementi, tra i quali la variabilità biologico-strutturale delle specie considerate, il differente periodo di raccolta, gli ambienti di crescita esaminati, ecc., rende estremamente complicato individuare delle formule esaustive per la stima del potere calorifico (Todaro et al., 2007) Nel presente studio, in accordo con la norma europea UNI EN 15104:2011 "Biocombustibili solidi - Determinazione del contenuto totale di carbonio, idrogeno e azoto - Metodi strumentali", il contenuto di C, H e N è stato determinato su dei sub- campioni di 200 g ed è stato rilevato da un analizzatore elementare CHN Leco 1000 che impiega la metodologia LECO-1 con un analizzatore di combustione. Anche in questo caso i campioni di sminuzzato sono stati prima omogeneizzati con apposito mulino.
3.8 - CONTENUTO IN CENERI
E’ quanto mai necessario considerare che la composizione e quantità delle ceneri rappresentano un parametro molto importante per la conversione energetica delle biomasse. L’aumento della quantità di ceneri determina infatti un effetto negativo 65 sul potere calorifico (Demirbas, 1997) mentre è stato riscontrato un effetto positivo sulla durabilità della combustione a causa di una possibile elevata quantità di silice e di carbonio (Jain & Singh, 1999). Un elevato contenuto in ceneri, influenzato dalla temperatura di fiamma della camera di combustione, può causare la formazione di
superfici vetrificate nella fornace con conseguente riduzione dell’efficienza del sistema di scambio. Lo smaltimento delle ceneri, inoltre, è ancora un problema non completamente risolto poiché esse risultano ancora difficilmente o poco utilizzabili come ammendanti nel settore agro-forestale (Ciccarese, 2000). Nel presente studio il contenuto di cenere è stato calcolato secondo la norma UNI EN 14775:2010 "Biocombustibili solidi - Determinazione del contenuto di ceneri". Il sottocampione di 200 g è stato macinato con un mulino a lama rotante Ika Werke MF10B e setaccio di 1 mm. Poi, è stato messo in un forno da laboratorio distribuendolo in modo tale che la sua densità superficiale non superasse 1,0 kg/m2. Il forno è stato riscaldato a 250°C ad una velocità di 0,083°C/s. Il campione è stato lasciato a questa temperatura per 1 h per permettere la devolatilizzazione delle sostanze prima dell'accensione. Successivamente, il forno è stato portato ad una temperatura di 550°C sempre ad una velocità di 0,083°C/s. Il campione è stato poi mantenuto a questa temperatura per 2 h. Successivamente, estratto dal forno, è stato fatto raffreddare a temperatura ambiente per circa 5 min, e quindi è stato trasferito in un essiccatore in cui è stato immagazzinato per un uso successivo (pesatura) in un contenitore sigillato.
3.9 - ANALISI STATISTICA
I dati ottenuti sono stati analizzati con il software statistico Statistica 2010, al fine di verificare la significatività statistica delle eventuali differenze tra i trattamenti con i test ANOVA e MANOVA. Tests Post-hoc sono stati eseguiti con il metodo di test di Tukey. Inoltre sono stati eseguiti i test preliminari ai test di statistica parametrica quali Levene e Kolmogorov-Smirnov. Per validare statisticamente l’esistenza di relazioni o differenze è stata condotta un’analisi di correlazione non parametrica applicando il test di Wilcoxon per campioni appaiati per i dati di densità bulk in funzione di umidità o contenuto idrico.
4.RISULTATI
4.1 - SMINUZZATO PROVENIENTE DA SRF
4.1.1-COMPOSIZIONE MACROSCOPICA DELLO SMINUZZATO
Un’elevata percentuale di corteccia ha un effetto negativo sul potere calorifico, questo dovuto all’elevato contenuto di umidità nella corteccia rispetto alla fibra (Spinelli et al., 2011). La presenza di corteccia determina alte quantità di ceneri durante la combustione causando un effetto negativo sul sistema di combustione, la formazione di superfici vetrificate nella fornace riduce l’efficienza del sistema di scambio e diverse problematiche nello smaltimento (Ciccarese, 2000).
Le percentuali in massa (sul secco) di legno e corteccia presente nello sminuzzato tra i 5 cloni di pioppo analizzati (AF2 (Populus x canadensis), AF6 ((Populus x generosa) X Populus nigra), Monviso (Populus x generosa X Populus nigra), Limatola (Populus nigra), Muur (Populus deltoides x Populus nigra)) in tabella 16, non evidenziano differenze statisticamente significative (p-value 0.420), in media è quindi possibile affermare che lo sminuzzato analizzato è composto dal 72,6% da legno ed il 27,4% da corteccia.
Tabella 16: percentuali in massa (sul secco) di legno e corteccia presente nello sminuzzato tra i 5 cloni di pioppo analizzati
Legno % in massa Corteccia % in massa Limatola 74±0,09 26±0,09 Muur 75±0,12 25±0,12 AF2 70±0,14 30±0,14 AF6 73±0,12 27±0,12 Monviso 72±0,14 28±0,14
Di seguito sono stati esaminati tramite l’applicazione dell’Anova ad una via i parametri della percentuale in massa (sul secco) dei rametti presenti nello sminuzzato, del loro
diametro e del numero di rami presenti nello sminuzzato tra i 5 cloni. L’analisi della percentuale in massa (sul secco) ha evidenziato differenze statisticamente elevate (p-value 0.012) tra i 5 cloni, dal Tukey test si riscontrano due principali gruppi statisticamente significativi (a e b), come riportato in tabella 17.
Nel caso del diametro dei rametti presenti nello sminuzzato non si sono riscontrate differenze statisticamente significative (p-value 0.661), come per il parametro del numero di rami presenti (p-value 0.000), mentre dal Tukey test si evidenziano due principali gruppi statisticamente significativi (a e b), come riportato in tabella 17.
Tabella 17: Percentuale in massa, diametro e numero dei rametti presenti nello sminuzzato tra i 5 cloni di pioppo. Rametti % in massa Diametro mm Numero rami
Limatola 13±0,1a,b 3,8±0,8 8±2,4a,b
Muur 17±0,1b 3,9±1,0 9±4,3b
AF2 11±0,05a 3,8±0,9 6±2,2a
AF6 10±0,05a 3,7±0,9 6±2,1a
Monviso 13±0,6a,b 3,9±0,9 8±2,9b RAMI LEGNO CORTEC Cloni [% ] 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Limatola Muur AF2 AF6 Monviso
Grafico 1: Distribuzione percentuale dei rami, legno e corteccia presenti nello sminuzzato tra i 5 cloni di pioppo
La distribuzione macroscopica dei campioni di cippato provenienti da SRC composti da 4